1、新能源课程结业论文 09 级化工学院化学工程与工艺 2 班 项文雨 3009207054 1 / 14 太阳能技术在节能建筑中的利用 摘要 建筑耗能是我国能源消耗的三大主要领域（工业耗能、交通耗能和建筑 耗能）之一，而且随着中国经济的不断发展人们对居住环境舒适度的要求逐步 提升，为了适应经济的告诉发展，建筑总量也不断攀升，所以目前建筑耗能呈 急剧上升趋势，已经成为我国实现节能战略目标的巨大挑战。因此研究并发展 建筑节能迫在眉睫。本文将重点介绍太阳能在节能建筑中的利用。 关键词 太阳能 节能建筑 节能建筑（energy-saving building）指遵循气候设计和节能的基本方法， 对建筑划分
2、区、群体和单体、建筑朝向、间距、太阳 辐射、风向以及外部空间 环境进行研究后，设计出低能建筑。发展节能节建筑不是降低和缩小生活空间 和生活标准，而是充分利用洁净、安全、永存的太阳能及其他新型能源取代快 速枯竭的常规能源。太阳能作为洁净的可再生新能源，倍受人们关注是节能建 筑中最有利用潜力能源的之一。 太阳能建筑(solar building)是指利用太阳能代替部分常规能源以提供采 暖、热水、空调、照明、通风动力等一系列功能的建筑物，以满足(或部分满足)人 们生活和生产的需要。太阳能在建筑上的利用方式主要有：被动式太阳能采暖、 太阳能供热水、主动式太阳能采暖与空调、以及太阳能发电等。 太阳能建筑
3、可大体分为被动式和主动式两种。 1 被动式太阳能建筑 所谓被动式太阳能建筑就是通过建筑朝向和周围环境的合理布置，内部空 间和外部形体的巧妙处理，以及建筑材料和结构、构造的恰当选择，使其在冬 新能源课程结业论文 09 级化工学院化学工程与工艺 2 班 项文雨 3009207054 2 / 14 季能采集、保持、贮存和分配太阳能，从而解决建筑物的采暖问题。同时，在 夏季又能遮蔽太阳能辐射，散逸室内热量，从而使建筑物降温，达到冬暖夏凉 的目的。 集热、蓄热、保温是被动式太阳房建设的三要素，缺一不可。 1.1 工作机理 被动式太阳能建筑最基本的工作机理是“温室效应”。其外围护结构应具有 较大的热阻，室
4、内要有足够的重质材料，如砖石、混凝土，以保持房屋有良好 的蓄热性能。将建筑物的全部或一部分既作为集热器又作为储热器和散热器， 既不要连接管道又不要水泵或风机。以间接方式采集利用太阳能。 有工程造价 低冬暖夏凉节能效果好等明显优点。加之其技术较为简单，配以辅助热源后可 大大提高居住舒适度，被动式太阳能建筑有很好的发展前景。 直接受益式 被动式采暖系统中最简单的形式，这种方式升温快、构造简单； 不需增设特殊的集热装置；与一般建筑的外形无多大差异，建筑的艺术处理也 比较灵活，是一种最易推广使用的太阳能建筑设施。 新能源课程结业论文 09 级化工学院化学工程与工艺 2 班 项文雨 3009207054
5、 3 / 14 图 1-01 被动式（直接受益式）太阳能建筑图示 附加阳光间式 阳光间附建在主体房屋的南侧，其围护结构全部或部分由玻璃 等透光材料构成，地面做成蓄热体。日间阳光间得到太阳光辐射而被加热，建 筑内部温度始终高于外界环境温度，热量通过与主体房间相邻的公共墙上的门、 窗传入主体房间室内。阳光间既可以在白天供给主体房间热量，又可在夜间作 为缓冲区，减少房间热量损失。它的外形更轻巧，其阳光间还可以用来养花或 栽培其他植物，十分适合农村住宅环境。 图 1-02 被动式（附加阳光间式）太阳能建筑图示 1.2 太阳能供水 根据太阳能热水利用调查和国内外的工程实践表明，通过太阳能光热利用 新能源
6、课程结业论文 09 级化工学院化学工程与工艺 2 班 项文雨 3009207054 4 / 14 技术为住户提供价廉的生活用热水，是解决能源紧张的方法，并可以提高居民 生活舒适度。目前最常用的太阳能供水系统即为太阳能热水器，从最初的闷硒 式、平板式到现在的全玻璃真空管、真空管热管式，在技术上有了飞跃发展， 大大地提高了供水系统的太阳能的利用效率。太阳能热水系统是由太阳能集热 元件(平板集热器、玻璃真空管、热管真空管等)、蓄热容器(水箱或者罐)、控 制系统(温感器、光感器、水位控制、电热元件、电气元件组合及显示器)以及 管道保温、防腐部分等组合在一起的。在太阳光的照射下，通过这个系统，辐 射能被
7、转化为热能，提供温热水供人们生活使用。太阳能热水器设备成本低， 安装技术简单，节能效果显著，在我国尤其是广大农村地区使用非常广泛。 图1-03太阳能热水系统原理 家用紧凑式全玻璃真空管式热水器是目前居民住房中最常用的太阳能热水 系统之一，其集热器采用全玻璃真空管，真空管集热下方分为有反射板和无反射 板两种。为防止水的渗漏集热管与水箱内胆连接用硅橡胶密封圈；集热管与水箱 外壳连接则采用抗老化橡胶或塑料密封圈，可以防止或减少对流散热。集热器采 用热管真空管，管内不走水，不结垢，可随时上水。其使用寿命主要取决于热 新能源课程结业论文 09 级化工学院化学工程与工艺 2 班 项文雨 300920705
8、4 5 / 14 管的长期稳定工作，一般应在10年以上。 图1-04 家用紧凑式全玻璃真空管式热水器 家用太阳能热水器安装倾角对太阳能的利用率有很大的影响。一般情况下 若系统仅在春、夏、秋季使用，安装倾角建议为S = -100 ；如若系统在全年均 使用，则安装倾角建议为S = +100 （S 集热器的安装倾角； 当地 地理纬度） 。 1.3 特朗伯集热墙 特朗伯集热墙是最近发展起来的一种外墙系统，它是法国太阳能实验室主任 Felix Trombe 博士首先提出并实验的，故称 “特朗伯墙”。这种集热墙利用热虹吸 管/ 温差环流原理，使用自然的热空气或水来进行热量循环，从而降低供暖系统 新能源课程
9、结业论文 09 级化工学院化学工程与工艺 2 班 项文雨 3009207054 6 / 14 的负担。特朗伯墙吸收了传统厚重墙体吸热蓄热的手法，同时具备了更轻盈的 形象和更高的热效率，可以更主动地适应气候变化。 图 1-05 集热蓄热墙（Trombe 墙）冬季热量传递示意 新能源课程结业论文 09 级化工学院化学工程与工艺 2 班 项文雨 3009207054 7 / 14 图 1-06 集热蓄热墙（Trombe 墙）夏季热量传递示意 特朗伯集热墙的工作原理原理是将Trombe墙设在住宅南部，墙的上下部有 通风口，前面设有玻璃盖板，玻璃盖板和集热墙之间间隔设有空气夹层。在天 气较冷的时候，被集
10、热蓄热墙吸收的太阳辐射主要由集热蓄热墙外表面通过对 流方式将热量传给玻璃板和集热蓄热墙外表面之间的空气夹层，再由被加热后 的夹层内的空气经由集热蓄热墙上、下风口和房间空气之间的对流将热量传给 房间，达到采暖的目的。热惰性墙体可以利用它自身收集太阳辐射热量的能力 为室内供暖。新鲜空气从外墙底部进入空气腔中，被热惰性材料吸收的太阳辐 射热加热后进入室内，使热空气在屋内循环。另外，白天吸收的热量一部分被 集热墙和室内蓄热墙吸收贮存于墙体内，到夜间再通过墙体内表面以辐射和自 然对流的方式将热量释放到室内（如图1-05所示）。在炎热的气候条件下，特 朗伯墙则通过使空气直接上升并排到室外来防止热量进入室内
11、。这时墙体从北 面汲取较冷的空气进入室内，达到自然降温的效果（如图1-06所示）。 特朗伯墙和其他手段结合起来使用可以发挥更大的节能作用。如采用绝热 玻璃、改良的热吸收墙体、空腔中控制空气流的风扇、利用水来储藏热量等。 新能源课程结业论文 09 级化工学院化学工程与工艺 2 班 项文雨 3009207054 8 / 14 1.4 自然采光设计 为了节约电能，一定要设法让建筑物充分利用自然光。由于相比北面而言， 建筑南面窗墙比较大，因此太阳光线主要是从南面进入住宅，因为冬季北向屋 子的阴冷，所以一般吧南面屋顶处设置为透光高窗，以便吧阳光引入北向屋子 进行采光蓄热，如图1-07所示 图1-07 冬
12、季自然采光示意 2 主动式太阳能建筑 主动式太阳房是在被动式太阳能利用设计仍不能满足建筑所需冷、热、电 和光需求时对建筑引入太阳能主动式利用技术，或在普通建筑上直接引入太阳 能主动式利用技术所形成的建筑称呼。主动式太阳能利用技术区别于被动式主 要在于机械动力装置在系统中的应用。由于机械动力机构的应用，尤其是带有 自动控制装置的系统，较“靠天吃饭”的被动式而言，人在系统运行中处于主动 控制地位，用户可以根据自己的冷、暖、热等需要对系统进行调控，所以系统 新能源课程结业论文 09 级化工学院化学工程与工艺 2 班 项文雨 3009207054 9 / 14 的灵活性和方便程度较高。但是由于机械动力
13、装置的存在，主动式系统需太阳 能建筑需要消耗一定的动力，建筑造价也会相应提高。 主动式太阳能建筑对太阳能的利用效率高，主要是通过高效集热装置来收 集获取太阳能，然后再由热媒将热量送人建筑物内，不仅可以供暖、供热水， 还可以供冷：而且室内温度稳定舒适，波动较小，目前在发达国家应用非常广 泛但因为存在着设备复杂，技术含量较高，先期投资偏高，建设困难，阴天 有云期间集热效率严重下降等缺点，主动式太阳能建筑在我国长期未能得到推 广。 2.1 太阳能热泵采暖系统 太阳能热泵采暖系统是利用集热器进行太阳能低温集热，然后通过热泵， 将热量传递到温度为 3550的采暖热媒中去冬季太阳辐射量较小，环境温度 很低
14、，使用热泵则可以直接收集太阳能进行采暖将太阳能集热器作为热泵系 统中的蒸发器，换热器作为冷凝器这样就可以得到较高温度的采暖热媒 新能源课程结业论文 09 级化工学院化学工程与工艺 2 班 项文雨 3009207054 10 / 14 图2-01 热管热泵式热水器 太阳能热泵采暖系统主要特点是花费少量电能就可以得到几倍于电能的热 量，同时可以有效地利用低温热源，减少集热面积是太阳能采暖的一种有效 手段若其与夏季制冷相结合，应用于空调，优点将更为突出美国、德国、 日本等国家对太阳能热泵采暖系统的研究很重视，国际上已经有不少太阳房应 用这种先进的技术如美国丹佛公共学院北院就是一个应用太阳能热泵采系统
15、 的成功典范。 图 1-02 美国丹佛公共学院北院 2 2 自动控制系统 自动控制系统是使用仪表来控制系统的正常工作在收集回路中的自动控 制可采用差动控制：使用两个温度传感器和一个差动控制器其中一个温度传 感器(热敏电阻或热电偶)安装在集热器板接近传热介质出口处另一个温度传 感器安装在贮热器接近收集回路回流出口当第一个传感器温度大于第二个， 并达到预定的限度时，差动控制器就开启相反，当贮热器出口温度与集热器 新能源课程结业论文 09 级化工学院化学工程与工艺 2 班 项文雨 3009207054 11 / 14 出口温度相等时就关闭采暖回路是指采暖房阃中热媒的循环回路自动控制 一般使用两个温度
16、传感器和一个差动控制器其中一个是温度传感器置于贮热 器采暖回路出口附近，当贮热器温度很高并达到一定的数值时，辅助加热器关 闭；另一个温度传感器安装在采暖回路的回水管道中当第一个传感器读出的 温度低于第二个时，差动控制器操作阀门，切断贮热器与系统的联系，使其脱 离循环，这时由辅助加热器供暖。 将自动控制系统应用于太阳能建筑中，可以减少自然气候对住房环境的影 响，极大提高了居住的舒适度，由于价格普遍偏贵加之目前技术并不是十分成 熟，应用并不广泛。 2 3 热管集热器 热管是具有很高热传输性能的元件，集沸腾过程与凝结过程于一体一般 热管是由管壳、管芯(起毛细管作用的多孔结构物)和工作液组成的一个封闭
17、系 统当在其一端加热时，管内的液体蒸发，过量的蒸汽在管的另一端冷凝，冷 凝液借助在毛细芯截面中的毛细力返回到加热端在某些太阳能采暖应用中， 冷凝液的返回能够通过重力流动来实现由于热管内的蒸发、冷凝过程几乎是 在等温、等压下进行的，所以热管能在非常小的温差下从内部传递热量，对重 力辅助热管，假如冷凝段在下而加热段在上，则工质液体回流中断 热管式集热器与传统集热器比较，具有以下优点：(1)用热管传输热量，可 避免普通集热器存在的集热管冬天晚间结冰问题(2)由于重力辅助热管的“热 二极管”的作用，热量只能从吸热板向换热器输送，能防止晚上或阴天时的倒 流散热(3)热容小，启动性能好 新能源课程结业论文
18、 09 级化工学院化学工程与工艺 2 班 项文雨 3009207054 12 / 14 另外，还有热管式真空管平板型集热器，它兼有热管式平板型集热器与玻 璃真空管平板型集热器的优点。热管式真空管平板型集热器由于热管外表面涂 有选择性吸收涂层，而且真空绝热，因此热损失小，在高的工作温度下仍有较 高的集热效率热管选用合适的工质使集热器温度超过工质的临界温度后，热 管的传热就停止，这就防止了集热器在无负荷情况下带来的高温问题，利于整 个采暖期使用。 3 现状分析和前景预测 中国工业飞速发展，但是我国现在的科技水平发展速度难以跟上工业发展 的步伐，能源消耗日趋增加。我国的能源资源虽然总量储备较丰富，但
19、是后备 储量不足，人均资源量更是非常有限，能源危机已经成为制约中国经济文化发 展的一大因素。经济发展与能源需求的矛盾日趋严重、能源的短缺、能源利用 率低等现实已对新能源的开发和利用提出了迫切的要求。面对即将枯竭的能源 资源，作为能源消耗的三大主要领域之一，实行建筑节能降低建筑消耗，已经 迫在眉睫刻不容缓。节能型建筑必定会将成为今后建筑行业的主要发展方向之 一。 面对如此紧张的能源现状，我们必须从可持续发展的战略角度出发，使建 筑尽可能地降低非可再生资源的消耗，尽量减少对外界环境的污染，使其在低 能耗、高环保的基础上为人类营造健康舒适的生活和工作空间。 太阳能是免费的一次性可再生能源，取之不尽用
20、之不竭，成本几乎为零。 即便是考虑到现有太阳能技术所造建筑相对与传统建筑较高的成本，但是其显 著的节能优势可以完全可以在一定的年限内使这些投资得到回报，还可以创造 新能源课程结业论文 09 级化工学院化学工程与工艺 2 班 项文雨 3009207054 13 / 14 出更大的效益空间。因此可以说太阳能建筑存在巨大的潜在经济价值和商业价 值，人们需要不断地提高对太阳能的利用度和利用效率。太阳能建筑是一个充 满生命力的崭新领域，正在成为当今建筑学的新方向，并在社会发展中逐步显 示出其环境价值和经济价值。随着科学水平的发展，人们对太阳能应用技术也 在不断发展和提高，太阳能建筑必将会发挥它无与伦比的
21、价值和作用，实现其 经济效益、生态效益和社会效益的全面协调发展。 4 心得和感想 本学期选修了王一平老师新能源利用技术的专业选修课，课堂收获很多，了解很多新能源技术的知识。 期末考试内容是一篇开放性的论文。这并不是大学以来第一次写论文，却是我第一次按照正规格式写学术 论文。这学期我进入了班导师的实验室，在学姐学长的指导下看了不少学术论文，所以大概了解了正式论 文的格式，并且学会了系统查阅文献的方法。本篇论文即是按照系统的材料收集方法和严谨的整体构思写 得，在写作过程中一方面对太阳能在节能建筑中的利用有了更深一步的了解，另一方面，查阅文献和收集 论文素材能力得到了大幅提高。 最后很感谢王老师这一
22、学期的精彩课程，希望以后还有机会和老师探讨有关新能源利用和化工的知识。 5 参考文献 李元哲被动式太阳房热工设计手册M北京：清华大学出版社，l993 伍昭翰，黄加国，杨维菊.农村低能耗生态住宅设计实践探索J.华中建筑， 2006 主动式太阳能建筑在西北地区的应用前景 绿色节能住宅设计 新型农村住宅的节能策略 建筑节能与建筑设计中的新能源利用 论促进我国建筑节能发展的政策体系 新能源课程结业论文 09 级化工学院化学工程与工艺 2 班 项文雨 3009207054 14 / 14 太阳能技术在建筑工程中的利用 浅议太阳能建筑的价值体系和应用 以上论文均摘自维普数据库 一些专业名词的定义摘自百度百科和老师课件
